声控汽车电动座椅改装设计.doc

声控汽车电动座椅改装设计 王新新孔庆奎 （山东电子职业技术学院济南250200） 摘要语音识别技术在高档乘用车媒体系统中已有应用，但在车辆操控方面的应用还不多见。本研究旨在解决汽车电动座椅人性化设计不足问题，采用非特定语音识别和单片机控制技术，控制汽车电动座椅在特定方向上的调节。经过改装测试，在车内静音环境中，拾音距离50cm，指令识别率在90%以上，动作执行率达到100%。本系统整体工作稳定，实时性良好。 关键词汽车电动座椅，语音识别（asr），控制技术，位置调整 doi:10.3969/j.issn.1674-7933.xx.04.003 作者简介：王新新，男，1968年生，硕士，教授，主要从事及研究领域：电路与系统、电子电路设计，Email：wxxchinayeah.；孔庆奎，硕士，副教授。 0引言 语音识别技术在高档乘用车媒体系统中已有应用，但在车辆操控方面的应用还不多见。本设计采用非特定语音识别及单片机控制技术，实现了声控操作汽车电动座椅。投入不足二百元，即可对现有汽车电动座椅进行改装。 1系统组成 系统由语音识别模块、控制单元、执行机构、指示装置、电源模块五部分组成。语音识别模块负责接收驾驶员发出的声音指令，并对各种指令进行识别，然后将不同指令对应的编码发送给控制单元。控制单元对接收到的编码进行判断，依据判断结果和软件程序指令确定执行的动作。执行机构负责执行具体动作。指示装置根据驾驶员发出的指令，配合执行机构，给以相应的信号指示。电源模块为各部分提供电力支持。 2系统硬件设计 2.1语音识别模块 语音识别模块采用非特定语音识别芯片LD3320。 ld3320芯片集成了语音识别处理器和外部电路，包括ad和da转换器、麦克风、声音输出等接口，不需要外接任何辅助芯片如flash、ram等12，直接集成即可实现语音识别/声控/人机对话功能，其识别的关键词语列表是可以任意动态的，能够满足低功耗、体积小、可通用等要求3。 语音识别芯片ld3320首先对拾音器（mic）输入的声音进行频谱分析，提取出语音特征，然后与关键词语列表中的关键词语进行对比匹配，找出得分最高的关键词语，再输出该关键词语识别码（id）。 关键词语以拼音字符串的形式输入ld3320，关键词语的id值也同时一并输入。如“座椅向前”的拼音字符串为“zuoyixiangqian”，id为“01”，它们同时输入到ld3320。 为提高语音识别率，模块添加了一些“垃圾关键词语”进入识别列表，用来吸收错误识别。语音识别时，只有“座椅向前”“升高”等9个关键词语是可执行的。如果识别结果是“垃圾关键词语”，则说明是其他声音导致的误识别，设备没有执行动作，将会等待并开始一次新的识别过程。比如，我们设置了“座椅向前”“升高”等9个关键词语，另外再设置1020个发音相近的“垃圾关键词语”，如“坐姿好看”“崇高”等进入识别列表，这样可以降低误识别，进一步提高设备的可靠性和稳定性。 不同的关键词语可以对应同一个id，而id也可以是不连续的。例如：关键词语“升高”和“up”，可以设置为同一个id，后续进行同样的处理，同样都执行座椅升高动作。把“垃圾关键词语”的id都标记成一个值，这样编写的处理程序比较简单，避免添加进很多关键词语后，增加过多的程序分支4。 2.2控制单元 控制单元采用物美价廉的STC89C52RC，晶振采用11.0592MHz，语音识别模块与单片机之间采用串行通信方式，波特率为9600bit/s，使用方式3。LD3320的TXD端输出到单片机的串行通信接口RXD，如图2所示。单片机对接收到的数据进行判断，依据判断结果和软件程序指令，确定单片机P1口各引脚的电位。单片机所有I/O口在系统上电复位时全部置1。 以座椅“向前向后”控制为例，当驾驶员发出“座椅向前”的指令时，经语音识别模块识别处理后，向单片机发出相应的编码（关键词语id）。单片机接收该编码，由内部硬件将串行口控制寄存器的ri置1，向cpu发出中断请求。在满足中断响应条件的情况下，单片机自动中断正在执行的程序，转而跳到该中断源对应的中断入口地址处，执行中断服务程序。中断服务程序首先关闭串口中断，防止在中断处理过程中出现新的中断请求，导致数据出错；其次，采用switch()多分支选择语句，针对“座椅向前”“座椅向后”“升高”“降低”“后端升高”“后端降低”“直立”“后仰”8条声音指令分别将p1.0p1.7的8个引脚置0。若驾驶员发出“马上停止”指令，语音识别模块发出相应编码，使单片机p1口置1，控制电机停止工作，即可实现“马上停止”功能。 2.3执行机构 执行机构由8个继电器（K0K7）和4个直流电动机（MaMd）组成，如图3所示，其中：Ma为座椅“向前向后”电动机；Mb为“前端升高降低”电动机；Mc为“后端升高降低”电动机；Md为“靠背倾斜直立”电动机；D0D7为继电器驱动电路；PTC为自恢复保险。 每个电动机由2个继电器共同控制，继电器常闭触点连接到电源负极，常开触点连接电源正极，继电器不动作时活动触点与常闭触点接通。当单片机某I/O口输出低电平“0”时，其控制的继电器的活动触点与常开触点接通，电动机开始动作，实现座椅某一个方向的移动。 如P1.0引脚被置0后，继电器驱动电路（如图4）的输入端输入低电平，三极管导通，集电极连接的继电器电磁线圈中会有电流流过，继电器动作，常闭触点断开，常开触点闭合，活动触点与12V电源正极接通；在电动机的另外一端，由于单片机所有I/O口在初始化时全部置1，默认是高电平，继电器不动作，活动触点与常闭触点连接，即接至电源负极，此时“座椅向前向后”电动机正转，座椅向前调节。当驾驶员发出“座椅向后”的指令时，P1.1置0，P1其他端口置1，只有“座椅向前向后”电动机反转，座椅向后调节。 2.4指示装置 指示装置由单片机P2口控制，如图5所示。程序指令将P1口的值实时送到P2口，P2口控制面板上的指示装置（发光二极管亮或灭）。驾驶员可以实时掌握指令的执行情况。 2.5电源模块 声控系统电源取自于汽车点火开关的P端子。只有当点火开关处于OFF档，并且声控电动座椅控制系统的电源开关被接通时，声控调节才有效；当点火开关处于其它档，既使声控电动座椅控制系统的电源开关接通，系统也不会工作，从而防止汽车行驶中各种背景噪音引发误操作，以确保行车安全。 电源模块采用了LM7805和LM1117两个芯片分别实现5V和3.3V两种稳定电压输出，满足单片机和语音识别模块对电源电压的需求。 电源模块部分设置了2个控制开关。一个是12V总电源开关SA，它负责为控制电源模块和直流电动机供电。另外一个是电源模块的专用控制开关SB，当该开关接通时，电源模块开始工作，对外输出5V和3.3V两种直流电压，为单片机和语音识别模块供电；在开关SB切断时,声控单片机和语音识别模块掉电，声控系统不工作，座椅仍然是普通的电动座椅，这样可以防止各种背景噪音引发误操作，确保行车安全。 在每个电动机控制电路中都串接了一个自恢复保险丝，如图3中所示“PTC”。保险丝额定电流依据各电动机工作时实际电流而定，实验证明取值为实际工作电流的1.2倍较为适宜，当座椅调整到极限位置，电机堵转，PTC开始动作，以实现对系统的保护。 3改装测试 本装置分别在室内与车内进行了改装测试。测试人使用普通话。 3.1室内测试 置改装后的汽车电动座椅于未加特殊隔音和静音措施的普通房间内，室内面积40m2，室内温度28?。静音环境下（无其他发声物体），面对设备拾音器，以正常语速，中等强度（40至50分贝），每间隔两秒发出1个指令声音，持续地随机发出20个指令声音。测试结果如表1。 3.2车内测试 改装某国产品牌3厢乘用车电动座椅，改装装置分别放置于中控台附近和被改装的电动座椅下（未对车辆进行任何拆解改装）。关闭所有车窗，车内温度27?，以正常语速，中等强度（40至50分贝），每间隔两秒发出1个指令声音，持续地随即发出20个指令声音。测试结果如表2。 将改装设备（含拾音器）简单地放置在座椅下方，受环境噪声、声音传输距离及路径影响，语音识别效果明显下降。 4结论 综合两次测试结果，可以看到，该装置在拾音距离3050cm，指令识别率在90%以上，动作执行率达到100%。改装后的汽车电动座椅的声控调整系统工作稳定，实时性良好。 语音识别的效果与周围环境的声音、识别列表的内容设置（发音响亮的开口音还是不容易发音的闭口音）、识别列表各个词语之间的相互差别程度、说话人的发音清晰/大小/快慢/认真程度/口音、用户操作流程的设置、拾音器的物理特性等等因素都有关系4。 普通拾音器作用距离在1米左右，仔细挑选的拾音器作用距离可以在23米。本设备选用的是普通拾音器，识别效果受到了一定影响，若要进一步提高指令识别率，实现高可靠性，可选择更高质量的拾音器件。 该装置直接应用于现有汽车电动座椅，电动座椅原有的全部控制开关无需改动，两套调整装置可独立存在，分别实现对电动座椅的调节，彼此互不影响。 参考文献 LD3320芯片简明调试步骤DB/OL.